智能电源屏模块时序问题分析与对策

2022-03-26鲍军银

铁路通信信号工程技术 2022年3期

鲍军银

（中国铁路上海局集团有限公司合肥电务段，合肥 230000）

随着国内铁路建设的高速发展，信号电源设备也发生着巨变。由原来的干式变压器变压方式改为高频数字变压方式，自身增加了监测等功能，出现了具有模块化、智能化、网络化、高效率、高可靠性、便于维护等特点的铁路信号智能电源屏。但近年来，在铁路信号智能电源屏实际运用过程中，发生了一些影响其稳定性运用的问题。本文通过现场实际案例，对其原理进行分析，特别是对模块时序问题导致故障进行深入分析，提出日常维护和应急处理的建议措施。

1 电源屏的工作原理

铁路信号智能电源屏的组成按功能分主要包括配电、模块、防雷、监测等几大部分。

电源屏由外电网输入两路市电，经输入配电后进入电源模块进行稳压及变换处理。处理后的电压再经过适当的转换，变换为能直接为信号设备供电的洁净电源，通过输出端子为负载供电。

在系统工作过程中监测模块始终对系统各参数进行监控，如有异常即发出警报。当发生雷电危害时，防雷单元泄放过大的电流，保护电源设备。

1.1 系统输入

为保证电源屏可靠供电，铁路行业规定电源屏输入必须是两路市电供电。每一路市电都应当为三相交流电，输出方式为五线制。Y型切换方式即为两路市电选择其中市电满足供电要求的一路市电供电，其自动切换时间要求小于150 ms，且模块不掉电。Y型切换中设置了主、副路优先上电及无优先级上电方式，可以适应不同的电网环境，保证设备正常工作。

1.2 模块切换

电源模块切换基于DSP控制技术，采用DSP芯片调节输出，避免模块内部电子元器件自身带来的温漂、时漂从而导致输出的变化。同时还具有CAN通信技术、交流并联技术等。在第二代模块的基础上又增加了一些功能。体积更小、重量更轻、功率密度大、噪声小，还具备故障监测、定位功能。

交流模块的工作方式为1+1备份方式，即一台模块工作一台模块备份，两台模块通过模块内的互锁保证只有一台模块输出。模块采用无主切换方式，先上电的模块工作有电压、电流显示，后上电模块备用。两台模块可自动切换，切换时间小于150 ms，一般在 40 ms 左右。

2 典型故障分析

2.1 问题描述

2020年9月6 日11:54，合武线桃花店站信号点灯电源1、信号点灯电源2输出瞬间断电，断电20 s左右恢复供电，期间影响客车一列次，停车时间10 min左右，电务段技术人员及电源屏厂家人员及时赶到现场排查故障原因。

2.2 处理过程

1）查看电源屏图纸

该站电源屏输入为双Y 切换系统，信号点灯电源 1、2由电源屏 4 DHXD-SH1-1和 DHXDSH1-2模块供电，两个模块互为主备热备份。对应原理如图1、2所示。

2）查看电源屏工作状态及告警记录及解析

技术人员到达现场后，电源屏正常工作，各模块工作正常，输出电压正常，监控当前无异常告警，查看历史告警记录并解析如下（按时间先后顺序排列）。

图2 信号点灯电源1、2电源输出原理Fig.2 Schematic diagram of power supply output of signals power supply 1 and 2

根据电源屏历史告警记录，当天电源屏第一次告警发生在上午10:41，结束时间为中午12:39，告警内容为“DHXD-SH1-3，通讯中断”。电务段现场工作人员在信号集中监测上看到告警后下站巡视，发现电源屏4 DHXD-SH1-3模块正常，没有告警，发生告警的原因为模块与电源屏监控之间的通讯问题。

第二条和第三条电源屏告警发生在上午11:24:58，结束时间为11:25:29，告警内容分别为“DHXD-SH1-5：通讯中断” “DHXD-SH1-6：通讯中断”。在此告警发生期间负载没有发生断电，监控上也没有对应负载断电的告警记录，因此可以判定这次告警是模块与电源屏之间的通讯问题，模块均正常工作。

从上午11:54:07～11:56:26，监控单元告警DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模块保护和故障，11:54:11～11:54:33监控单元告信号点灯电源1、2输出断，断电时间22 s。现场实际这两路电源在这个时间段也发生断电，与告警记录一致。

从告警记录可以判断为电源屏4 DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模块在1 s时间内相继发生保护和故障，导致信号点灯电源1、2电源同时输出中断。22 s以内负载恢复正常供电。

3）模块更换

下午14:30将信号点灯电源1、2电源对应工作的模块DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模块更换，换下来的两个模块由电源屏厂家返回工厂分析。

2.3 原因分析

1）模块返厂测试

返回的模块序列号分别为：

0712008B02130034101868（对应现场DHXDSH1-1 模块）；

0712008B02130034101869（对应现场DHXDSH1-2模块）。

模块返回工厂后，首先对模块进行切换实验。为模拟现场发生故障前两模块的实际工作情况，将DHXD-SH1-2模块作为主模块，DHXD-SH1-1模块作为备用模块，带5 A的负载进行切换实验。经过反复切换，现场故障复现，切换过程中两个模块的保护灯亮，两模块显示窗同时显示“EEE”，主备模块同时保护大约20 s，切换到备用模块工作。搁置一段时间后，再次进行切换还能复现上述故障现象。

为分析原因，对模块输出电压及备用模块的输出电流进行检测。测试波形如图3所示，通道CH1黄色波形为备用模块的输出电流，通道CH2蓝色波形为主备模块输出电压波形。从图3中可以看到主模块切换到备用模块时只坚持了两个波头即中断，期间还出现一个瞬时的短路电流，峰值约30 A。

图3 电源模块输出电流测试波形Fig.3 Test waveform of output current of power supply module

根据故障现象对主模块的驱动信号（4D8电压）进行测试，发现继电器驱动电源电压偏低，标称12 V的电压实际测量只有约8 V且纹波较大。如图4所示。

图4 驱动电路原理Fig.4 Schematic diagram of driving circuit

进一步测量模块辅助电源的电压反馈回路的滤波电解电容2C5和2C4，分别只有98.6 μF和87.6 μF（标称容量为220 μF±20%）。这两个元器件容量衰减度达到55.2%和60.2%，该电容的衰减导致模块内部辅助电源纹波较大，电压降低。如图5所示。

图5 电容测试数据Fig.5 Capacitance test data

最后测量主模块辅助电源V3的文波波形，文波噪声异常增大，文波噪声的增大导致主模块的封锁信号HS1不稳定，且存在偶发失效的情况。致使主模块错误闭合输出继电器，主备模块输出对顶短路。主模块辅助电源波形如图6所示。

图6 主模块辅助电源波形Fig.6 Waveform of auxiliary power supply of main module

2）测试结果分析

主模块（DHXD-SH1-2模块）内部的辅助电源滤波电解电容2C4和2C5容量衰减，导致模块内部辅助电源纹波较大，电压降低。，致使模块控制电路存在误开机信号。当主模块切换到备用模块后，主模块的继电器因为错误的信号吸合，导致主备模块输出对顶短路，两个模块均保护致输出中断。主备模块短路打嗝20 s左右后，模块进行下一个短路回缩周期，此时主模块检测到误开机信号消失，输出继电器断开，自动切到备用模块工作。

2.4 结论及改进措施

此次故障的原因为主模块（DHXD-SH1-2模块）内部的电解电容存在老化问题，导致模块内部控制电源电压偏低，切换过程中控制电路出现短暂误开机信号，导致主备模块输出发生对顶短路，输出出现短暂中断。

后续措施及建议如下。

1）对此类电源屏进行全面排查，做好模块切换实验工作。

2）对运行近10年的返厂模块，进行电容等元器件的衰减测试，对性能下降器件提前更换，从而提高模块的使用寿命。

2.5 电源屏输出采集及模块通讯时间问题

1）C2监控S系列模块告警的反应时间计算

C2监控与S系列模块的通讯方式为RS-485通讯，每一个模块都设有一个通讯地址，通过轮询机制与每个模块实现通讯。监控依次对每个模块发送4～5个命令，模块依次回复。平均每收发一个命令需要250 ms左右。因此监控对每个模块轮询一次所需要的时间为1.25 s左右，因此C2监控S系列模块告警的反应时间由模块的个数以及每个模块通讯板回复的及时性所决定。如果一套监控同时采集40个模块，其中一个模块出现故障告警，最快时间1 s以内（此时监控正轮询到此模块）可以上传到电源屏监控单元，监控上此模块告警恢复最慢需要50 s左右，上传到监控。如果模块实际发生此告警的时间为30 s，则此告警从开始到恢复的时间最大约为1+30+50=81 s（如果在轮询通讯过程中有模块通讯时间延长，此告警时间可能会相对延长）。

2）电源屏输出电压采集方式

目前铁路电源屏使用主要分成两种采集方式：

第一种是2014年之前上道的电源屏，普遍通过电源模块输出电压和电流的比对配置，进行采集。

第二种是2014年之后上道的电源屏，多通过FM模块集方式采集，每一个FM模块最多可采集16路负载的电压和电流。可以采集每一路负载的电压和电流，模块的通讯数据传输速度要比第一种采集方式快。

第二种采集方式是在每一路输出空开下端加电压采集线和电流互感器实现。如果要将第一种采集方式改成第二种采集方式，需要更换电源屏输出插框等结构件，现场改造时间过长，改造风险很大，所以不建议改造。